兼顾城市道路功能干线公路车道宽度研究

苏小青 段和柱 刘振涛

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司1) 武汉 430052) (武汉理工大学交通与物流工程学院2) 武汉 430063)

0 引 言

干线公路交通的复杂性导致在改造成兼顾城市道路功能干线公路的过程中面临着诸多问题，其中车道宽度的设置决定着道路通行能力与交通安全，同时还影响土地占用与工程造价.

国外车道宽度的研究主要结合以人为本的思想，综合考虑用路者的交通特性和心理特性，并基于交通安全给出车道宽度建议值.Ziaur等[1-2]基于交通事故修正系数预测模型得到的碰撞修正系数，利用限速、每条车道的年平均日交通量，以及直行车道数的组合，提出了车道宽度的设计建议.Samuel等[3]研究了车道宽度和路肩宽度之间的关系，提出了一个模型以优化给定的车道和路肩宽度分配，并利用所建立的模型制定了一系列决策支持图，可供公路管理机构在给定条件下确定最佳车道宽度.国内学者研究大多以车辆横向安全距离及车身与侧石间安全距离的经验公式为主.郑凤玺等[4-6]对不同等级城市内部道路的车辆摆动距离进行了分析，认为目前的城市内部道路仍有缩减空间，并给出了城市道路机动车道宽度参考值.孙其军等[7]结合国外车道宽度设置，通过对部分路段的车辆调查统计，计算了不同情况下的车道宽度，当设计车速为60 km/h时，内侧车道宽度可设置为3.13 m；中间车道宽度可设置为3.00 m；外侧车道宽度可设置为3.42 m.

上述研究都是针对城市道路车道宽度的研究，而对于兼顾城市道路功能干线公路的车道宽度研究较少.文中选取兼顾城市道路功能干线公路的车道宽度为研究对象，综合考虑运行车速及车辆横向安全距离对车道宽度的影响得到科学合理的车道宽度值.结合实地调查相关数据，分析干线公路的交通特点得出车道宽度缩减的可行性，通过波良可夫模型的修正，确定适宜的车道宽度，在降低干线公路改造的工程成本与难度的同时确保改造后的兼顾城市道路功能的路段内车辆能安全通行.并以设置有中央分隔带的单向三车道干线公路为例给出车道宽度建议值，利用VISSIM仿真并结合实例，验证该车道宽度建议值的合理性.

1 车道宽度分析

1.1 波良可夫模型

波良可夫模型主要是用于计算道路中两行驶车辆间或行驶车辆与路缘石的横向安全距离，该模型是基于运行车速与道路横断面各个组成部分的关系上建立的.

车辆的行驶横向安全距离为

(1)

(2)

(3)

式中：x为对向行驶车辆间的横向安全距离，m；d为同向行驶车辆间的横向安全距离，m；c为车辆与路缘石之间的横向安全距离，m；v、v1、v2为车辆行驶速度，km/h.

车辆的车身宽度与横向安全距离构成了单条车道的宽度.其中横向安全距离取决于行驶车辆车身的摆动以及驾驶员对于横向安全距离的心理需求，心理需求与驾驶车辆性能、行驶速度、交通状况等相关.

1.2 数据采集

调查内容：①干线公路的机动车流量状况；②干线公路的平均车速、瞬时车速、分车道运行车速；③干线公路的车型组成情况、车辆并行统计；④干线公路的行车横向距离统计；⑤不同车道宽度下车速的分布情况.

根据调查内容，相关车速数据由雷达测速器获取，车道宽度由卷尺测量，车流量、车型组成、行车横向安全距离等均根据获取的摄像资料后期分析获得.选取G107江夏区路段、G318汉阳区路段、G230喻家湾路段作为主要数据调查点，其中设计速度分别为60，80，80 km/h.图 1为调查点横断面示意图.G107和G318的调查路段为已经进行过快速化改造的路段，为补充对不同车道宽度的运行车速调查，选取了武汉市内部分城市主干路作为补充调查.

图1 横断面示意图(单位：m)

将调查车辆分为小型车、中型车、大型车三类，分类标准为[8]：①小型车 9座以下的客车，厂定最大总质量小于6 t且车身长大于3 m、小于6 m的车辆；②中型车 10座以上20座以下的客车，厂定最大总质量大于6 t、小于14 t，且车身长大于6 m、小于9 m的车辆；③大型车 20座以上的客车，厂定最大总质量大于14 t，且车身长大于9 m的车辆.

1.3 车道宽度影响因素分析

由实地观测得到三种车道布置形式的车型组成比例见表1，不同车道上车辆类型的分布见图2，其中1、2、3、4代表车道由内侧车道逐步向外至外侧车道.

表1 不同横断面形式车型组成比例表

由图2可知：在保证车辆运行的通行效率的前提下进行干线公路快速化改造时车道设计应考虑采用车道不等宽设计，根据车道功能划分相应的宽度：内侧车道根据小型车辆外廓尺寸进行设计，外侧车道根据大型车辆进行设计，合理利用有限的土地资源.

图2 不同车道车型分布图

根据由所选干线公路路段的数据调查，得到不同车道宽度的车辆运行车速-累计频率曲线见图3.

图3 不同车道宽度的车辆运行车速-累计频率曲线

由图3可知:小型车在车道宽度为3.75，3.50，3.25 m下的V85分别为77，75，68 km/h；最高运行车速分别为95，92，90 km/h.综上分析，车道宽度在3.50与3.75 m时对小型车辆的运行速度几乎没有影响，车道宽度可以不必设置为3.75 m.

同小型车情况类似，在3.75与3.5 m的车道宽度的路段上，大型车的运行车速-累计频率曲线的趋势无明显的区别，但相较于小型车，车速稍低，速度主要分布在40～65 km/h.3.75和3.50 m车道宽度下的V85均为65 km/h，最高运行车速均为80 km/h；3.25 m车道宽度下V85为62 km/h，最高运行车速为75 km/h，可以认为大型车运行车速受车道宽度影响较小.

1.4 车道宽度调整可行性分析

根据胡章立等[9]对饱和车头时距与车道宽度的分析，给出了车道宽度对道路通行能力的影响系数见表2.

表2 车道宽度对道路通行能力的影响系数

理想情况下，通行能力会随宽度减小有所降低.但实际情况下，在宽车道中驾驶人发生不文明驾驶行为(随意变道、超速、不规范的超车等)的可能性更高，机非混行以及存在有行人过街需求的路段发生交通事故的概率也更大，对道路通行能力造成了一定的负面影响.因此对车道宽度进行合理的缩减调整后，可以约束驾驶行为，进而提高道路通行能力.

文献[10]中规定，大城市道路面积在15%～20%最佳.根据袁大昌等[11]研究可知：假设所有车道均为3.5 m，车道宽度平均缩减0.1 m，城市则可增加约4‰～5‰的建设面积.结合秦建军等[12]研究中的计算，将现有的大型车道宽度缩减调整为3.50 m，小型车道宽度调整为3.25 m，以四车道高架桥的建设为例，每延米可节约工程造价约为3 500～5 000元.

2 车道宽度修正

2.1 波良可夫模型修正

表3为调查路段上不同车型的运行车速与流量统计表.

由表3可知:在干线公路上有88.65%的运行车辆为小型车，而大型车所占比例很低，且各车型运行速度相差较大.当道路上不同类型车辆以不同的运行车速混行严重时，会对路段整体的运行状况造成很大影响.

表3 不同车型在各速度区的流量统计

为了更准确的分析目前干线公路上行驶车辆的横向距离分布，从而对波良可夫模型进行修正.图4为车辆在运行情况下的横向距离分布图，用于拟合分析得到运行车速与横向安全距离的关系.

由图4可知：运行车速与车辆的横向距离呈正相关关系，横向安全距离随着运行车速的增加而增大.当速度趋近于零时，散点曲线会与Y轴交于一定点，这个点是一个极限值，是车辆行驶速度无限趋近于零时车辆之间的横向安全距离即最小横向安全距离值.

图4 横向安全距离散点图

为了确定同向行驶车辆间的最小横向安全距离值，选取武汉市一条城市主干路在入口处测量一系列车辆停车等待绿灯信号时的两相邻车辆之间的横向距离得到了一组车辆之间的最小横向距离值.图5为车辆静止时获取的相关横向距离，用于通过累计频率确定相关的最小横向安全距离.

图5 最小横向安全距离分布统计

由图5可知：85%的最小横向距离在0.51～0.66 m内波动，最小横向距离在0.60～0.62 m处累计频率曲线斜率出现突变，故选取平均值0.61 m作为同向行车间最小横向安全距离值.

将图4中数的横向距离值减去得到的最小横向安全距离0.61 m，对新数据利用Origin进行拟合，得到相关系数最高的关系模型为

w′=0.056v0.51

(4)

式中：w′为不计最小横向安全距离的同向行车间横向安全距离，m;ν为运行车速，km/h.

结合式(4)与最小横向安全距离，得到同向行驶车辆之间的横向安全距离计算模型为

w1=0.61+0.056v0.51

(5)

式中：w1为同向行车间横向安全距离，m.

同理可得式(6)～(7)：

w″=0.0055v

(6)

式中：w″为不计最小横向安全距离的车辆与车道边缘线间横向安全距离，m.

w2=0.32+0.005 5v

(7)

式中：w2为车辆与车道边缘线间横向安全距离.

对比得到的波良可夫修正模型与初始模型，设计速度分别在60，80，100 km/h 的情况下，两者的横向安全距离见表4.

表4 横向安全距离对比

由表4可知：修正后的波良可夫模型相较于初始模型，在三种设计速度下，两种横向安全距离都有不同程度的缩减，最大缩减比例达到21.69%，最小缩减比例为6.03%.

2.2 车道宽度修正

根据式(5)和式(7)，可以得到干线公路快速化改造时不同情况下的机动车道宽度建议计算式见式(8)～(12)，其中小型车专用道取车身宽度为1.9 m，混行车道取车身宽度为2.1 m，最外侧车道取车身宽度为2.55 m.因为横向安全距离并不会随运行车速的增大而无限增大，故由式(5)～(9)计算所得的车道宽度大于3.75 m时一律取3.75 m.

1) 有中央分隔带的最内侧小型车专用道

0.32+0.005 5v

(8)

2) 有中央分隔带的最内侧车道(混行车道)

0.32+0.005 5v

(9)

3) 同向行驶中间小型车专用道

(10)

4) 同向行驶中间车道(混行车道)

(11)

5) 最外侧车道

032+0.005 5v

(12)

式中：W为车道宽度，m；a为车身宽度，m；w1为同向行车间横向安全距离，m；w2为车辆与车道缘线间横向安全距离，m.

结合式(8)～(12)，计算得出各设计速度下，设置有中央分隔带的单向三车道干线公路车道宽度建议值见表5.

表5 不同设计速度下的干线公路车道宽度建议值

表5仅为通过式(8)～(12)计算所得的车道宽度建议值，为证明其合理性，利用仿真软件进行验证分析.在兼顾城市道路功能干线公路实际的快速化改造工程中，可结合改造道路的等级、位置、道路功能、横断面现状布置型式等实际情况对参考值进行增减，从而最大化的利用有限土地资源，并且实现路段车辆的高效运行.

3 VISSIM仿真分析

3.1 仿真软件可行性分析

在相同的道路条件、交通流参数条件下，分别模拟宽度为2.5，2.8,3.5,4.5 m的单车道，各车道进行五次仿真试验.对比四种车道宽度下的平均速度值，研究车道宽度与VISSIM仿真软件内部模型的相关性.对所输出相应的平均速度进行分析统计见表6.

表6 各车道运行车速分析

由表6可知：在其他条件相同的情况下，随着车道宽度的增加，四条车道所对应的均值相应增大，方差相近.因此，车道宽度与VISSIM仿真软件的内部模型之间相互关联，通过改变车道宽度可以模拟车道交通流特性的变化.

3.2 工程实例应用

考虑车道宽度对路段车辆运行的影响，且在干线公路进行快速化改造时，横断面多为封闭式主线加辅道的布置形式，所以在VISSIM仿真时不考虑交叉口的设置和非机动车及行人对车辆运行的影响.

1) 车道布置 根据表4，设计速度为60 km/h时重新调整后的主线车道宽度为：内侧小型车专用道3.08 m+中间车道3.16 m+外侧车道3.73 m.

2) 车型参数输入 对该路段调查发现得小型车、中型车、大型车的组成比例为：67.46%、22.77%、9.77%.

3) 其他参数输入 取平均停车距离值为1.2 m；车道变换距离取固定值40 m；最小车头时距取值范围定于1.0 m；根据调查结果，速度为0时的横向距离为0.6 m；速度为50 km/h时，横向距离为1.1 m.

根据以上参数设置，设计车速为60 km/h的仿真结果见表7.分析车道宽度修正后获得的仿真结果，与实际情况进行相比而言，用相对偏差值判断修正后的车道宽度的有效性.

表7 仿真结果分析

由表7可知：在采用波良可夫修正后的模型所得到的车道宽度时，路段各车道的交通量与平均车速与实际调查数据虽有一定的差距，但总体变化不大，各值均小于7%；其中外侧车道宽度减小最少，数据变化也最小，均小于2%，修正后的车道宽度对交通运行影响很小，可以认为修正后的波良可夫模型与车道宽度计算式具备一定的合理性，可供兼顾城市道路功能干线公路车道宽度的布置作为理论参考.

4 结 论

1) 通过对实际路段的交通数据调查，分析了兼顾城市道路功能干线公路不同车道宽度下的车型组成与运行车速对车道宽度取值的影响.根据车道宽度对交通安全、道路通行能力、土地占用及工程造价的影响，确定了车道宽度修正的可行性.

2) 结合横向距离与运行车速的调查统计，对波良可夫模型进行了修正，修正模型的横向安全距离与初始模型相比在设计速度为60～100 km/h内有最低6.03%，最高21.69%的缩减程度.利用修正波良可夫模型，得到了适用于兼顾城市道路功能干线公路的车道宽度计算式，给出了不同设计速度下单向三车道的车道宽度建议值.

3) 利用VISSIM软件并结合工程实例对得到的波良可夫修正模型进行了验证分析，在设计速度为60 km/h情况下得到仿真结果并与实测数据对比发现路段小时交通量与平均运行车速相对误差值均在7%以内.可以认为通过波良可夫修正模型计算的车道宽度对车辆运行的影响有限，该模型可以为日后兼顾城市道路功能干线公路车道宽度的设置提供一定的理论参考.